◎ 科技日報實習記者 於紫月
電機軸高速旋轉，送絲盤穩步傳動，真空室內絲材快速熔化、沉積成形……中國航空製造技術研究院高能束流發生器實驗室內，一臺兩米見方的3D印表機正在製造一件精密鈦合金結構件。
“這是我國首次在模擬微重力環境下，應用冷陰極電子槍實現‘太空級’3D列印。”日前，中國航空製造技術研究院研究員、冷陰極電子槍研發團隊負責人許海鷹告訴科技日報記者，“該裝置有望成為我國‘太空製造’中的加工利器。”
“太空級”3D列印原理樣機內部結構。
此前，該技術長期被國外壟斷。磨劍近十載，團隊先後攻克電源負載阻抗匹配難、束流功率小等難題，研發出壽命長、功率大的冷陰極電子槍，併成功應用於多個高階製造領域。
實現自適應匹配
“在太空中應用3D列印，可快速、低成本製造空間結構件、維修工具、探測器零部件等。我們希望將3D印表機搬上太空，為人類在太空中長期生存提供支撐。”許海鷹一語道破研發初衷。
願望雖好，但征途並不平坦。用什麼來熔化耐高溫金屬絲材實現3D列印？這是團隊面臨的首要問題。大家反覆研判，最終確認冷陰極電子槍可擔此“重任”。
“冷陰極電子槍可產生高能電子束流，猶如一把極熱的‘火’，可熔化高溫合金等材料。”許海鷹介紹，“只要讓它燒得又穩又可控，就能保證3D列印連續工作。”
但是，大家很快發現，要燒好這把“火”殊為不易，如何讓電源具備即時、快速調節能力成為最大的“攔路虎”。
“電源是為冷陰極電子槍提供能量的‘心臟’。我們要改裝這顆‘心臟’，讓它自適應調整‘供血’速率，保證電子束流穩定輸出。”團隊成員王壯打了個比方。
改裝“心臟”，談何容易？團隊研究數月，依然無法定下合適的“手術”方案。直到有一天，團隊成員、中國航空製造技術研究院高階工程師楊波驚奇地發現，電源控制系統中電感、電容等引數的微小偏差，竟會導致電子槍輸出不穩定。他敏銳地判斷：“這可能就是‘手術’方案的切入點！”
團隊像是抓住了“救命稻草”，開始密切關注這種偏差。只要電源系統出現一點微小波動，團隊成員都會不分日夜，在實驗室裡花上幾個小時記錄、分析。
經過數月的除錯和最佳化，團隊設計出一套即時電源控制演算法。它能夠根據負載阻抗的變化自動調整電流、電壓等引數。冷陰極電子槍終於裝上了一顆“聰明的心臟”，持續穩定地輸出電子束流。
冷陰極電子槍正在穩定輸出電子束流。
破解大功率難題
攻克電源負載自適應匹配這一難關後，研發團隊又乘勝追擊，逐一解決了高頻電磁干擾、高溫散熱等一系列問題，順利完成了3D列印裝置研製和核心部件結構最佳化。
就在大家以為即將大功告成時，一盆冷水直接澆了個透心涼——電子束流的功率始終上不來。
適當增減工作氣體、修改電子槍結構引數、更換陰極材料……團隊想盡各種方法除錯，可效果始終不理想，研發工作一度陷入僵局。
就在團隊心情接近冰點之時，一次偶然試驗中，電子槍輸氣管道出現些許漏氣。讓大家沒想到的是，這時裝置竟也能輸出較大電子束流，甚至穩定度短時間內變高了。“我們大膽猜測，空氣中的某種成分，可能對提升束流功率及其穩定性有幫助。”王壯記憶猶新。
“冷陰極電子槍內，工作氣體在高壓下電離產生等離子體，其中正離子負責轟擊陰極金屬，從而激發其釋放出電子。”楊波解釋，“我們一開始並不知道問題究竟出在哪裡，直到這時才意識到，調整電子槍內工作氣體‘配方’，應該是提升束流功率的關鍵。”
果然不出所料，團隊在後續的不斷驗證中發現，電子槍中陰極材料——鋁金屬表面氧化而成的氧化鋁，有助於提高陰極電子發射能力，可使電子束流達到期望功率且保持穩定。
大家立即著手改進氣體“配方”，將原來使用的純氦氣，調整為氦氣與氧氣的混合氣，人為促進氧化鋁形成，最終實現了大功率電子束流的穩定輸出。
接下來，團隊又一步步突破了絲束同軸設計等多項技術難點，研製出國內首臺基於冷陰極電子槍的3D列印裝置，在地面可實現1000工作小時以上的穩定熔絲成形。
突破微重力瓶頸
地面3D列印的碩果猶如一劑“強心針”，極大地鼓舞了團隊向浩瀚宇宙“再出發”。但是，想讓冷陰極電子槍“飛天”，絕非易事。
“太空的微重力環境對材料流動和沉積行為影響很大，這是我們亟待解決的核心難題。”團隊成員桑興華解釋，“在地面上，用於3D列印的金屬絲材熔化形成熔滴，在重力影響下可直接滴至基板上成形。但在太空中，熔滴反而會順著絲材‘往上爬’，遠離基板、無法成形。”
為了突破這一瓶頸，團隊在地面上模擬太空環境，先後嘗試多種方法，均以失敗告終。專案節點在即，倍感壓力的桑興華提出一個大膽設想：借鑑電弧焊原理，在絲材上施加脈衝電流，利用電磁力將熔滴“推”向基板。
方案一經提出，質疑聲便接踵而來——“安全問題怎麼解決？”
製備過程中，冷陰極電子槍要與絲材接觸，電子槍本身就有上萬伏高壓，如果絲材再帶電，那麼絕緣就成了大問題。稍有不慎就會“串電”，對整套控制系統造成不可逆的損傷。
“大家僵持不下，又實在想不出更好的辦法。”最終，團隊抱著“死馬當活馬醫”的想法，決定全力一搏。
他們立即著手搭建試驗平臺，將電子槍與絲材接觸的部分換成陶瓷絕緣材質；為了確保安全，又將送絲電機、導絲輪等部件進行了絕緣處理。
經過反覆試驗，他們在短短3周內開發出一套脈衝電流控制裝置，可在模擬的微重力環境下，讓熔滴從絲材端“流向”基板。
冷陰極電子槍輸出的高能電子束流熔化鈦合金絲材，形成熔滴。
在此基礎上，團隊又攻克了小型化、輕量化難題，最終研製出“太空級”冷陰極電子槍3D列印原理樣機，體積僅有地面3D列印裝置的四分之一，有利於大幅節約發射成本。
黨的二十屆三中全會提出，“推動科技創新和產業創新融合發展”“推動製造業高階化、智慧化、綠色化發展”。面向未來，許海鷹信心十足：“我們將著力加大科技創新力度，勇攀高能束激發與應用領域技術高峰，努力實現核心技術自主可控！”
來源：科技日報 文中圖片均由受訪者提供
編輯：王璠